DE112022001045T5 - semiconductor laser element - Google Patents
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Abstract
Ein Halbleiterlaserelement (1) umfasst: ein Substrat (10); eine erste Halbleiterschicht (20), die über dem Substrat (10) angeordnet ist; eine Lichtemissionsschicht (30), die über der ersten Halbleiterschicht (20) angeordnet ist; eine zweite Halbleiterschicht (40), die über der Lichtemissionsschicht (30) angeordnet ist; und einen Nutteil (70), der wenigstens an dem Substrat (10) und der ersten Halbleiterschicht (20) ausgebildet ist. Die zweite Halbleiterschicht (40) weist einen Gratteil (40a) für das Leiten eines in der Lichtemissionsschicht (30) erzeugten Laserlichts auf. Die Breite des Gratteils (40a) ändert sich zyklisch in Entsprechung zu der Position in einer Wellenleitungsrichtung des Gratteils (40a). Der Winkel zwischen einer Seitenfläche (40b) des Gratteils (40a) und der Wellenleitungsrichtung ist größer als ein Grenzwinkel, der durch einen effektiven Brechungsindex jeweils auf einer Innenseite des Gratteils (40a) und einer Außenseite des Gratteils (40a) gebildet wird. Der Nutteil (70) ist auf der Außenseite der Seitenfläche (40b) wenigstens dort, wo die Breite des Gratteils (40a) klein ist, ausgebildet. A semiconductor laser element (1) comprises: a substrate (10); a first semiconductor layer (20) disposed over the substrate (10); a light emitting layer (30) disposed over the first semiconductor layer (20); a second semiconductor layer (40) disposed over the light emitting layer (30); and a groove portion (70) formed at least on the substrate (10) and the first semiconductor layer (20). The second semiconductor layer (40) has a ridge part (40a) for guiding a laser light generated in the light emission layer (30). The width of the ridge part (40a) changes cyclically in accordance with the position in a wave guiding direction of the ridge part (40a). The angle between a side surface (40b) of the ridge part (40a) and the wave guide direction is larger than a critical angle, which is formed by an effective refractive index on an inside of the ridge part (40a) and an outside of the ridge part (40a). The groove part (70) is formed on the outside of the side surface (40b) at least where the width of the ridge part (40a) is small.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserelement und ist zum Beispiel für die Verwendung bei einer Verarbeitung von Produkten geeignet.The present invention relates to a semiconductor laser element and is suitable for use in processing products, for example.
Die vorliegende Anmeldung ist Ergebnis einer Auftragsforschung unter dem Titel „Development of advanced laser processing with intelligence based on high-brightness and high-efficiency laser technologies / Development of new light-source/elemental technologies for advanced processing / Development of GaN-based high-power high-beam quality semiconductor lasers for highly-efficient laser processing“ der New Energy and Industrial Technology Development Organization für das Finanzjahr 2016 und ist eine Patentanmeldung, für die der Artikel 17 des Industrial Technology Enhancement Act gilt.This application is the result of contract research under the title “Development of advanced laser processing with intelligence based on high-brightness and high-efficiency laser technologies / Development of new light-source/elemental technologies for advanced processing / Development of GaN-based high- power high-beam quality semiconductor lasers for highly-efficient laser processing” of the New Energy and Industrial Technology Development Organization for fiscal year 2016 and is a patent application covered by Article 17 of the Industrial Technology Enhancement Act.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
In den letzten Jahren wurden Halbleiterlaserelemente bei der Verarbeitung von verschiedenen Produkten verwendet. Um in einem derartigen Halbleiterlaserelement die Verarbeitungsqualität zu verbessern, weist das von dem Halbleiterlaserelement emittierte Licht vorzugsweise eine hohe Ausgabeleistung auf und ist der Anteil einer Grundmode erhöht, während eine Mode einer höheren Ordnung möglichst weitgehend abgeschnitten ist.In recent years, semiconductor laser elements have been used in the processing of various products. In order to improve the processing quality in such a semiconductor laser element, the light emitted by the semiconductor laser element preferably has a high output power and the proportion of a fundamental mode is increased, while a mode of a higher order is cut off as much as possible.
Die unten genannte Patentliteratur 1 beschreibt ein Halbleiterlaserelement, das umfasst: einen Lichtwellenleitermechanismus mit einer rauen Oberfläche, der an beiden Seitenwänden eines streifenförmigen Gratteils in der Mitte in der Wellenleitungsrichtung vorgesehen ist; und einen parallelen Lichtwellenleitermechanismus mit einer glatten Oberfläche, der an beiden Enden in der Wellenleitungsrichtung vorgesehen ist. Durch den Lichtwellenleitermechanismus mit einer rauen Oberfläche wird ein Verlust in der Mode der höheren Ordnung verursacht und wird der Anteil der Grundmode erhöht.
REFERENZLISTEREFERENCE LIST
[PATENTLITERATUR][PATENT LITERATURE]
[PTL 1] Offengelegtes japanisches Patent mit der Veröffentlichungsnummer H9-246664[PTL 1] Japanese Patent Laid-Open Publication Number H9-246664
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
PROBLEMSTELLUNGPROBLEM STATEMENT
In der Konfiguration der Patentliteratur 1 kann eine Welligkeit (Störung) in einem vertikalen Fernfeldmuster verursacht werden. In diesem Fall wird die Form des Emissionslichts beträchtlich von einer idealen Gaußschen Form verschoben. Dadurch wird das Problem verursacht, dass die Qualität des von dem Halbleiterlaserelement emittierten Laserlichts vermindert wird.In the configuration of
Angesichts des vorstehend genannten Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterlaserelement vorzusehen, das eine Welligkeit in dem vertikalen Fernfeldmuster unterdrücken kann und den Anteil der Grundmode erhöhen kann.In view of the above problem, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser element that can suppress ripple in the vertical far field pattern and increase the fundamental mode content.
PROBLEMLÖSUNGTROUBLESHOOTING
Ein Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserelement. Das Halbleiterlaserelement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Substrat; eine erste Halbleiterschicht, die über dem Substrat angeordnet ist; eine Lichtemissionsschicht, die über der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist; eine zweite Halbleiterschicht, die über der Lichtemissionsschicht angeordnet ist; und einen Nutteil, der wenigstens an dem Substrat und der ersten Halbleiterschicht ausgebildet ist. Die zweite Halbleiterschicht weist einen Gratteil für das Leiten des in der Lichtemissionsschicht erzeugten Laserlichts auf. Die Breite des Gratteils ändert sich in Entsprechung zu der Position in einer Wellenleitungsrichtung des Gratteils. Der Winkel zwischen einer Seitenfläche des Gratteils und der Wellenleitungsrichtung ist größer als ein Grenzwinkel, der durch einen effektiven Brechungsindex jeweils an einer Innenseite des Gratteils und einer Außenseite des Gratteils definiert wird. Der Nutteil ist an der Außenseite der Seitenfläche wenigstens dort angeordnet, wo die Breite des Gratteils klein ist.A main aspect of the present invention relates to a semiconductor laser element. The semiconductor laser element according to the present invention includes: a substrate; a first semiconductor layer disposed over the substrate; a light emitting layer disposed over the first semiconductor layer; a second semiconductor layer disposed over the light emitting layer; and a groove portion formed at least on the substrate and the first semiconductor layer. The second semiconductor layer has a ridge portion for guiding the laser light generated in the light emitting layer. The width of the ridge part changes in correspondence to the position in a wave guiding direction of the ridge part. The angle between a side surface of the ridge part and the wave guide direction is larger than a critical angle defined by an effective refractive index at an inside of the ridge part and an outside of the ridge part, respectively. The groove part is arranged on the outside of the side surface at least where the width of the ridge part is small.
Weil bei dem Halbleiterlaserelement dieses Aspekts der Winkel zwischen der Seitenfläche des Gratteils und der Wellenleitungsrichtung größer gesetzt ist als der Grenzwinkel, wird Laserlicht in der Mode der höheren Ordnung abgeschnitten und wird der Anteil des Laserlichts in der Grundmode erhöht. Der Nutteil ist wenigstens an dem Substrat und der ersten Halbleiterschicht ausgebildet und an der Außenseite der Seitenfläche wenigstens dort, wo die Breite des Gratteils klein ist, ausgebildet. Dementsprechend ist das Auftreten einer nach unten gerichteten Bewegung der Verteilungsposition des an dem Gratteil (Wellenleiter) fortschreitenden Laserlichts weniger wahrscheinlich, wodurch eine Welligkeit in dem vertikalen Fernfeldmuster unterdrückt wird. Es wird also eine Welligkeit in dem vertikalen Fernfeldmuster unterdrückt, und der Anteil der Grundmode kann erhöht werden.In the semiconductor laser element of this aspect, because the angle between the side surface of the ridge portion and the waveguide direction is set larger than the critical angle, laser light in the higher order mode is cut off and the proportion of the laser light in the fundamental mode is increased. The groove part is formed at least on the substrate and the first semiconductor layer and is formed on the outside of the side surface at least where the width of the ridge part is small. Accordingly, downward movement of the distribution position of the laser light propagating on the ridge part (waveguide) is less likely to occur, thereby causing a ripple in the vertical far-field pattern is pressed. A ripple in the vertical far field pattern is therefore suppressed and the proportion of the fundamental mode can be increased.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNGADVANTAGEOUS EFFECTS OF THE INVENTION
Wie weiter oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterlaserelement, das eine Welligkeit in dem vertikalen Fernfeldmuster unterdrücken kann und den Anteil der Grundmode erhöhen kann, vorgesehen werden.As described above, according to the present invention, a semiconductor laser element that can suppress ripple in the vertical far field pattern and increase the fundamental mode content can be provided.
Die Effekte und die Bedeutung der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer Ausführungsform verdeutlicht. Die im Folgenden beschriebene Ausführungsform ist jedoch lediglich beispielhaft für die Implementierung der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf die hier beschriebene Ausführungsform beschränkt.The effects and significance of the present invention will be illustrated by the following description of an embodiment. However, the embodiment described below is merely an example of the implementation of the present invention. The present invention is in no way limited to the embodiment described herein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
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1 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Ausführungsform zeigt.1 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according to an embodiment. -
2 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Konfiguration des Halbleiterlaserelements in einem A-A`-Querschnitt in der positiven Y-Achsen-Richtung gemäß der Ausführungsform zeigt.2 Fig. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of the semiconductor laser element in an AA cross section in the Y-axis positive direction according to the embodiment. -
3(a) und3(b) sind jeweils Querschnittansichten für die Beschreibung eines Produktionsverfahrens für das Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform.3(a) and3(b) are cross-sectional views for describing a production method of the semiconductor laser element according to the embodiment. -
4(a) und4(b) sind jeweils Querschnittansichten für die Beschreibung eines Produktionsverfahrens für das Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform.4(a) and4(b) are cross-sectional views for describing a production method of the semiconductor laser element according to the embodiment. -
5(a) und5(b) sind jeweils Querschnittansichten für die Beschreibung eines Produktionsverfahrens für das Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform.5(a) and5(b) are cross-sectional views for describing a production method of the semiconductor laser element according to the embodiment. -
6(a) und6(b) sind jeweils Querschnittansichten für die Beschreibung eines Produktionsverfahrens für das Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform.6(a) and6(b) are cross-sectional views for describing a production method of the semiconductor laser element according to the embodiment. -
7(a) und7(b) sind jeweils Querschnittansichten für die Beschreibung eines Produktionsverfahrens für das Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform.7(a) and7(b) are cross-sectional views for describing a production method of the semiconductor laser element according to the embodiment. -
8(a) und8(b) sind jeweils Querschnittansichten für die Beschreibung eines Produktionsverfahrens für das Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform.8(a) and8(b) are cross-sectional views for describing a production method of the semiconductor laser element according to the embodiment. -
9(a) und9(b) sind jeweils Querschnittansichten für die Beschreibung eines Produktionsverfahrens für das Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform.9(a) and9(b) are cross-sectional views for describing a production method of the semiconductor laser element according to the embodiment. -
10 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Konfiguration einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt.10 Fig. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor laser device according to the embodiment. -
11 ist eine Draufsicht, die schematisch die Größen einer Seitenfläche eines Gratteils gemäß der Ausführungsform zeigt.11 Fig. 10 is a plan view schematically showing the sizes of a side surface of a burr part according to the embodiment. -
12(a) ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einer Brechungsindexdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des Gratteils und einen Grenzwinkel gemäß der Ausführungsform zeigt.12(b) ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einer gegebenen Distanz der Seitenfläche in der Y-Achsenrichtung und dem lokalen Minimumwert der Breite der Seitenfläche in der X-Achsenrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt.12(a) Fig. 12 is a graph showing the relationship between a refractive index difference between the inside and the outside of the ridge part and a critical angle according to the embodiment.12(b) is a graph showing the relationship between a given distance of the side surface in the Y-axis direction and the local minimum value of the width of the side surface in the X-axis direction according to the embodiment. -
13(a) ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einem Vergleichsbeispiel 1 zeigt.13(b) und13(c) sind Querschnittansichten, die jeweils schematisch Konfigurationen eines Halbleiterlasers bei einem A11-A12-Querschnitt und einem A21-A22-Querschnitt in der positiven Y-Achsenrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 zeigen.13(a) is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according to Comparative Example 1.13(b) and13(c) are cross-sectional views each schematically showing configurations of a semiconductor laser at an A11-A12 cross-section and an A21-A22 cross-section in the positive Y-axis direction according to Comparative Example 1. -
14 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einem Vergleichsbeispiel 2 zeigt.14 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according to Comparative Example 2. -
15 enthält Kurvendiagramme, die ein Ergebnis eines Experiments auf einem vertikalen Fernfeldmuster zeigen, das erhalten wird, wenn die Strukturen der Gratteile der Halbleiterlaserelemente gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 und 2 geändert werden.15 contains curve diagrams showing a result of an experiment on a vertical far-field pattern obtained when the structures of the ridge parts of the semiconductor laser elements according to Comparative Examples 1 and 2 are changed. -
16(a) ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß der Ausführungsform zeigt.16(b) und16(c) sind Querschnittansichten, die jeweils schematisch Konfigurationen eines Halbleiterlaser bei einem A31-A32-Querschnitt und einem A41-A42-Querschnitt in der positiven Y-Achsenrichtung gemäß der Ausführungsform zeigen.16(a) Fig. 10 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according to the embodiment.16(b) and16(c) are cross-sectional views each schematically showing configurations of a semiconductor laser at an A31-A32 cross-section and an A41-A42 cross-section in the positive Y-axis direction according to the embodiment. -
17(a) ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Modifikation 1 zeigt.17(b) ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Modifikation 2 zeigt.17(a) is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according toModification 1.17(b) is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according toModification 2. -
18 ist eine Querschnittansicht, die schematische eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Modifikation 3 zeigt.18 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according toModification 3. -
19 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Modifikation 4 zeigt.19 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according to amodification 4. -
20 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfiguration eines Halbleiterlaserelements gemäß einer Modifikation 5 zeigt.20 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor laser element according to amodification 5.
Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen beispielhaft für die Erfindung sind und den Erfindungsumfang in keiner Weise einschränken.It should be noted that the drawings are exemplary of the invention and do not limit the scope of the invention in any way.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNGPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Der Einfachheit halber ist jede Zeichnung mit Angaben der orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen versehen. Die X-Achsenrichtung ist die Breitenrichtung eines Gratteils, und die Y-Achsenrichtung ist die Fortschrittsrichtung (Resonatorlängsrichtung) des Lichts an dem Gratteil. Die Z-Achsenrichtung ist die Laminierungsrichtung der Schichten des Halbleiterlaserelements, wobei die positive Z-Achsenrichtung die Richtung nach oben ist.An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. For convenience, each drawing is labeled with the orthogonal X, Y, and Z axes. The The Z-axis direction is the lamination direction of the layers of the semiconductor laser element, where the positive Z-axis direction is the upward direction.
In dem Halbleiterlaserelement 1 ist ein sich linear in der Y-Achsenrichtung erstreckender Gratteil 40a in Nachbarschaft zu der Mitte in der X-Achsenrichtung vorgesehen. Der Gratteil 40a bildet einen Wellenleiter WG, der das Laserlicht leitet. Der Gratteil 40a leitet das in einer Lichtemissionsschicht 30 (siehe
An jeder Außenseite jedes Teils, wo die Breite in der X-Achsenrichtung des Gratteils 40a klein ist, ist ein Nutteil 70 vorgesehen. Der Nutteil 70 weist eine dreieckige Form in einer Draufsicht auf, wobei die Breite des Nutteils 70 in der X-Achsenrichtung in Entsprechung zu der Position in der Y-Achsenrichtung verschieden ist. An einer Position in der Y-Achsenrichtung, wo die Breite in der X-Achsenrichtung des Gratteils 40a klein wird, wird die Breite in der X-Achsenrichtung des Nutteils 70 groß. Die Position in der Z-Achsenrichtung des Nutteils 70 wird weiter unten mit Bezug auf
Eine Endfläche 1a ist die Endfläche des Gratteils 40a, der auf der positiven Seite der Y-Achse angeordnet ist, und ist die Endfläche auf der Emissionsseite des Halbleiterlaserelements 1. Eine Endfläche 1b ist die Endfläche des Gratteils 40a, die auf der negativen Seite der Y-Achse angeordnet ist, und ist die Endfläche auf der Reflexionsseite des Halbleiterlaserelements 1. Ein Endflächen-Beschichtungsfilm ist an jeder Endflächen 1a, 1b ausgebildet. Wenn von der Seite der Endfläche 1b zu der Seite der Endfläche 1 a fortschreitendes Licht (Vorwärtswelle) die Endfläche 1a erreicht, wird ein Teil der Vorwärtswelle als Emissionslicht von der Endfläche 1a in der positiven Y-Achsenrichtung emittiert und wird ein Teil der Vorwärtswelle an der Endfläche 1a als von der Seite der Endfläche 1a zu der Seite der Endfläche 1 b fortschreitendes Licht (Rückwärtswelle) reflektiert. Wenn die Rückwärtswelle durch den Gratteil 40a in der negativen Y-Achsenrichtung fortschreitet und die Endfläche 1b erreicht, wird der Großteil der Rückwärtswelle an der Endfläche 1b als eine Vorwärtswelle reflektiert. Auf diese Weise wird das in dem Halbleiterlaserelement 1 erzeugte Licht zwischen der Endfläche 1a und der Endfläche 1b verstärkt, um von der Endfläche 1a emittiert zu werden.An end surface 1a is the end surface of the
Wie in
Die erste Halbleiterschicht 20 ist über dem Substrat 10 angeordnet. Die erste Halbleiterschicht 20 ist eine n-seitige Deckschicht.The
Die Lichtemissionsschicht 30 ist über der ersten Halbleiterschicht 20 angeordnet. Die Lichtemissionsschicht 30 weist einen laminierten Aufbau auf, in dem eine n-seitige Lichtleitungsschicht 31, eine aktive Schicht 32 und eine p-seitige Lichtleitungsschicht 33 von unten in dieser Reihenfolge geschichtet sind. Wenn eine Spannung an dem Halbleiterlaserelement 1 angelegt wird, wird Licht erzeugt und schreitet in der Lichtemissionsschicht 30 fort.The
Die zweite Halbleiterschicht 40 ist über der Lichtemissionsschicht 30 angeordnet. Die zweite Halbleiterschicht 40 weist einen laminierten Aufbau auf, in dem eine Elektronensperrschicht 41, eine p-seitige Deckschicht 42 und eine p-seitige Kontaktschicht 43 von unten in dieser Reihenfolge laminiert sind.The
In einem oberen Teil der zweiten Halbleiterschicht 40 ist der Gratteil 40a in der Nachbarschaft der Mitte in der X-Achsenrichtung ausgebildet. Der Gratteil 40a weist eine in der positiven Z-Achsenrichtung vorstehende Form und eine sich in der Y-Achsenrichtung erstreckende Gratform (Vorsprungsform) auf. Weil der Gratteil 40a ausgebildet ist, ist der Wellenleiter WG derart geformt, dass er dem Bereich in der X-Achsenrichtung des Gratteils 40a entspricht. Weil der Gratteil 40a ausgebildet ist, ist die Seitenfläche 40b jeweils an dem Ende auf der positiven Seite der X-Achsen und an dem Ende auf der negativen Seite der X-Achse des Gratteils 40a ausgebildet. In einem oberen Teil der zweiten Halbleiterschicht 40 ist ein sich in der X-Achsenrichtung von der Wurzel des Gratteils 40a erstreckender flacher Teil 40c ausgebildet.In an upper part of the
Das Elektrodenglied 50 ist über der zweiten Halbleiterschicht 40 angeordnet. Das Elektrodenglied 50 umfasst eine p-seitige Elektrode 51 für das Anlegen einer Spannung und eine Kontaktelektrode 52, die über der p-seitigen Elektrode 51 angeordnet ist. Die p-seitige Elektrode 51 ist an der oberen Fläche des Gratteils 40a angeordnet. Die p-seitige Elektrode 51 ist eine Ohmsche Elektrode, die in einem Ohmschen Kontakt mit der p-seitigen Kontaktschicht 43 über der p-seitigen Kontaktschicht 43 ist. Die Kontaktelektrode 52 weist eine längere Form in der X-Achsenrichtung als der Gratteil 40a auf und ist in Kontakt mit der p-seitigen Elektrode 51 und der dielektrischen Schicht 60.The
Die dielektrische Schicht 60 ist über der p-seitigen Deckschicht 42 an der Außenseite in der X-Achsenrichtung des Gratteils 40a angeordnet, um das Licht in dem Gratteil 40a einzuschließen. Insbesondere ist die dielektrische Schicht 60 kontinuierlich von der Seitenfläche 40b über den flachen Teil 40c hinweg ausgebildet. Die dielektrische Schicht 60 wird durch einen Isolationsfilm mit einem kleineren Brechungsindex als demjenigen des Gratteils 40a implementiert.The
Der Nutteil 70 ist wenigstens an dem Substrat 10 und der ersten Halbleiterschicht 20 ausgebildet. Mit anderen Worten ist der Nutteil 70 wenigstens von der unteren Fläche des Substrats 10 zu der ersten Halbleiterschicht 20 ausgebildet, um in Kommunikation mit wenigstens dem Substrat 10 und der ersten Halbleiterschicht 20 zu sein. Insbesondere ist der Nutteil 70 von der unteren Fläche des Substrats 10 zu der ersten Halbleiterschicht 20 ausgebildet und ist ein Boden 70a des Nutteils 70 in der ersten Halbleiterschicht 20 in der Z-Achsenrichtung angeordnet. Der Nutteil 70 ist an der Außenseite des Gratteils 40a in der X-Achsenrichtung angeordnet. Das Innere des Nutteils 70 ist mit Luft gefüllt, und der Brechungsindex (Brechungsindex der Luft) des Nutteils 70 ist kleiner als der Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht 20, der Lichtemissionsschicht 30 und der zweiten Halbleiterschicht 40. Durch den Nutteil 70 kann das Auftreten einer Welligkeit (Störung) in dem vertikalen Fernfeldmuster unterdrückt werden, was weiter unten mit Bezug auf
Weil in dieser Ausführungsform der Querschnitt des Nutteils 70 eine rechteckige Form aufweist, werden das innere Ende und das äußere Ende in der X-Achsenrichtung des Nutteils 70 parallel zu der Z-Achsenrichtung. Dementsprechend wird in der Nachbarschaft zu der Position P1 an dem inneren Ende und in der Nachbarschaft zu der Position P2 an dem äußeren Ende eine Schnittfläche in jeder Schicht, wie durch eine Strichlinie angegeben, vorgesehen und wird das Laserlicht in einer Mode einer höheren Ordnung durch diese Schnittfläche gestreut.In this embodiment, because the cross section of the
Die n-seitige Elektrode 80 ist unter dem Substrat 10 angeordnet und ist eine Ohmsche Elektrode in einem Ohmschen Kontakt mit dem Substrat 10.The n-
Im Folgenden wird mit Bezug auf
Im Folgenden werden für das Wachstum jeder Schicht als organometallische Rohmaterialien, die Ga, AI und In enthalten, zum Beispiel jeweils Trimethylgallium (TMG), Trimethylammoniak (TMA) und Trimethylindium (TMI) verwendet. Als ein Stickstoffrohmaterial wird Ammoniak (NH3) verwendet. Als eine Lithografiemethode kann eine Fotolithografiemethode mit einer Kurzwellenlängen-Lichtquelle, eine Elektronenstrahllithografiemethode, in der ein Rendern direkt durch einen Elektronenstrahl durchgeführt wird, eine Nanoimprintmethode oder ähnliches verwendet werden. Als eine Ätzmethode kann zum Beispiel ein Trockenätzen mittels eines reaktiven lonenätzend (RIE) unter Verwendung eines Fluor-basierten Gases wie etwa CF4 oder ein Nassätzen unter Verwendung einer Flusssäure (HF) oder von ähnlichem, die zu 1:10 gelöst ist, verwendet werden.Hereinafter, for the growth of each layer, as organometallic raw materials containing Ga, Al and In, for example, trimethylgallium (TMG), trimethylammonia (TMA) and trimethylindium (TMI), respectively, are used. Ammonia (NH 3 ) is used as a nitrogen raw material. As a lithography method, a photolithography method using a short wavelength light source, an electron beam lithography method in which rendering is performed directly by an electron beam, a nanoimprint method, or the like can be used. As an etching method, for example, dry etching by reactive ion etching (RIE) using a fluorine-based gas such as CF 4 or wet etching using hydrofluoric acid (HF) or the like dissolved at 1:10 can be used .
Wie in
Insbesondere wird auf dem Substrat 10 mit einer Dicke von 400 µm eine n-seitige Deckschicht eines n-Typ-AlGaN mit 3 µm als die erste Halbleiterschicht 20 gezüchtet. Anschließend wird die n-seitige Lichtführungsschicht 31 eines n-Typ-GaN mit 0,2 µm gezüchtet. Anschließend wird die aktive Schicht 32, die aus zwei Zyklen einer Sperrschicht aus InGaN und einer rlnGaN-Quantentopfschicht besteht, gezüchtet. Anschließend wird die p-seitige Lichtführungsschicht 33 eines p-Typ-GaN mit 0,1 µm gezüchtet. Anschließend wird die Elektronensperrschicht 41 aus AlGaN mit 10 nm gezüchtet. Anschließend wird die p-seitige Deckschicht 42 als ein 0,66 µm dickes gedehntes Übergitter durch das Wiederholen von 220 Zyklen einer 1,5 nm dicken p-Typ-AIGaN-Schicht und einer 1,5 nm dicken p-Typ-GaN-Schicht gezüchtet. Anschließend wird die p-seitige Kontaktschicht 43 eines p-Typ-GaN mit 0,05 µm gezüchtet.Specifically, on the
Dann wird, wie in
Dann wird wie in
Dann werden wie in
Insbesondere wird der Gratteil 40a unter dem ersten Schutzfilm 91, der in der Mitte in der X-Achsenrichtung angeordnet ist, ausgebildet. Der Gratteil 40a besteht aus einem Vorsprung der p-seitigen Deckschicht 42, die in der positiven Z-Achsenrichtung vorsteht, und der p-seitigen Kontaktschicht 43 an diesem Vorsprung. Die p-seitige Kontaktschicht 43 und die p-seitige Deckschicht 42 werden in dem Bereich, in dem der erste Schutzfilm 91 nicht ausgebildet ist, geätzt, wodurch der flache Teil 40c ausgebildet wird. Für das Ätzen der p-seitigen Kontaktschicht 43 und der p-seitigen Deckschicht 42 kann ein Trockenätzen mittels einer RIE-Methode unter Verwendung eines Chlor-basierten Gases wie etwa Cl2 verwendet werden.Specifically, the
Hinsichtlich der Höhe des Gratteils 40a in der Z-Achsenrichtung werden keine besonderen Vorgaben gemacht, wobei sie jedoch zum Beispiel nicht kleiner als 100 nm und nicht größer als 1 µm ist. Damit das Halbleiterlaserelement 1 mit einer hohen Lichtausgabe (z.B. Watt-Klasse) betrieben wird, kann die Höhe des Gratteils 40a auf nicht weniger als 300 nm und nicht mehr als 800 nm gesetzt werden. In dieser Ausführungsform beträgt die Höhe des Gratteils 40a 650 nm.The height of the
Der Gratteil 40a wird unter Verwendung, als einer Maske, des mit der vorbestimmten Form ausgebildeten ersten Schutzfilms 91 ausgebildet. Deshalb bilden wie in der Draufsicht von
Dann wird, wie in
Dann wird, wie in
Dann wird ein zweiter Schutzfilm 92, der aus einem Photoresist besteht, auf der in Fig. (5b) gezeigten dielektrischen Schicht 60 ausgebildet. Dann wird der zweite Schutzfilm 92 selektiv entfernt, sodass der zweite Schutzfilm 92 nur an dem flachen Teil 40c zurückbleibt. Dann wird, wie in
Dann wird, wie in
Dann wird, wie in
Dann wird, wie in
Dann wird, wie in
Dann werden, wie in
In dieser Ausführungsform wird die Bedingung des Ätzens auf dem Substrat 10 und der ersten Halbleiterschicht 20 eingestellt, wodurch das Zusammensetzungsverhältnis (Ga/N) von Ga zu N an der Oberfläche des Nutteils 70 höher gesetzt wird als das Zusammensetzungsverhältnis (Ga/N) von Ga zu N im Inneren der ersten Halbleiterschicht 20. Wenn zum Beispiel im Fall eines Trockenätzens unter Verwendung eines Cl2-Gases die Ätzbedingung derart gesteuert wird, dass ein physikalisches Ätzen dominant wird, wird die Beseitigung von N-Atomen gefördert und kann ein Zustand, in dem die Anzahl von Ga-Atomen relativ groß ist, an der Ätzfläche (der Oberfläche des Nutteils 70) erzeugt werden. Normalerweise weist in GaN das Zusammensetzungsverhältnis (Ga/N) einen Wert nahe 1 auf. Wenn jedoch die Ätzbedingung gesteuert wird, kann das Zusammensetzungsverhältnis (Ga/N) an der Ätzfläche nicht kleiner als 1,5 vorgesehen werden. Wenn Sauerstoff zu dem Ätzgas hinzugefügt wird, wird eine Oxidation an der Ätzfläche gefördert und kann das Zusammensetzungsverhältnis (Ga/N) vergrößert werden.In this embodiment, the condition of etching is set on the
Dann wird, wie in
Dann wird, wie in
Dann wird das Halbleiterlaserelement, das den Produktionsschritten bis zu
Dann wird das Halbleiterlaserelement, das der primären Spaltung unterworfen wurde, derart gespalten (sekundäre Spaltung), dass der Abstand hinsichtlich der Länge in der x-Achsenrichtung zum Beispiel 400 µm beträgt. Damit wird das Halbleiterlaserelement 1 von
Die Halbleiterlaservorrichtung 2 umfasst das Halbleiterlaserelement 1 und einen Submontageteil 100 und wird zum Beispiel für die Verarbeitung eines Produkts verwendet. Der Submontageteil 100 umfasst eine Basis 101, eine erste Elektrode 102a, eine zweite Elektrode 102b, eine erste Haftungsschicht 103a und eine zweite Haftungsschicht 103b.The
Die Basis 101 ist auf der positiven Seite der Z-Achse des Substrats 10 des Halbleiterlaserelements 1 angeordnet und funktioniert als eine Wärmesenke. Hinsichtlich des Materials der Basis 101 werden hier keine besonderen Vorgaben gemacht, wobei die Basis 101 aus einem Material ausgebildet werden kann, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die derjenigen des Halbleiterlaserelements 1 entspricht oder größer als diese ist, wie etwa aus einer Keramik wie etwa Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliciumcarbid (SiC), aus einem durch CVD ausgebildeten Diamant (C), aus einer Metallelementsubstanz wie etwa Cu oder AI oder aus einer Legierung wie etwa CuW.The
Die erste Elektrode 102a ist an der Fläche auf der negativen Seite der Z-Achse der Basis 101 angeordnet, und die zweite Elektrode 102b ist an der Fläche auf der positiven Seite der Z-Achse der Basis 101 angeordnet. Die erste Elektrode 102a und die zweite Elektrode 102b sind jeweils ein Laminatfilm, der aus drei Metallfilmen wie etwa einem 0,1 µm dicken Ti-Film, einem 0,2 µm dicken Pt-Film und einem 0,2 µm dicken Au-Film besteht.The
Die erste Haftungsschicht 103a ist an der Fläche auf der negativen Seite der Z-Achse der ersten Elektrode 102a ausgebildet, und die zweite Haftungsschicht 103b ist an der Fläche auf der positiven Seite der Z-Achse der zweiten Elektrode 102b ausgebildet. Die erste Haftungsschicht 103a und die zweite Haftungsschicht 103b sind jeweils ein eutektisches Lot, das aus einer Gold-ZinnLegierung besteht, die Au und Sn mit Anteilen von jeweils 70% und 30% enthält.The
Das Halbleiterlaserelement 1 ist derart an dem Submontageteil 100 montiert, dass die p-Seite (die Seite des Elektrodenglieds 50) des Halbleiterlaserelements 1 mit dem Submontageteil 100 verbunden ist. Die in
Ein Draht 110 ist durch ein Drahtbonding mit jeweils der n-seitigen Elektrode 80 des Halbleiterlaserelements 1 und der ersten Elektrode 102a des Submontageteils 100 verbunden. Dementsprechend kann eine Spannung an dem Halbleiterlaserelement 1 über die Drähte 110 angelegt werden.A
Die in
Im Folgenden wird mit Bezug auf
Die Breite in der x-Achsenrichtung des Gratteils 40a (nachfolgend einfach als „Breite“ bezeichnet) ändert sich kontinuierlich und zyklisch in Entsprechung zu der Position in der Y-Achsenrichtung (Wellenleitungsrichtung), wobei ein Teil mit einer großen Breite und ein Teil mit einer kleinen Breite alternierend in der Y-Achsenrichtung angeordnet sind.The width in the x-axis direction of the
Dabei ist der lokale maximale Wert der Breite des Gratteils 40a als Wa definiert, und ist der lokale minimale Wert der Breite des Gratteils 40a als Wb definiert. Die Distanz in der Y-Achsenrichtung von der Position, wo die Breite des Gratteils 40a den lokalen maximalen Wert Wa zu der dazu benachbarten Position auf der positiven Seite der Y-Achse aufweist, innerhalb der Positionen, an denen die Breite des Gratteils 40a den lokalen minimalen Wert Wb aufweist, ist als La definiert. Die Distanz in der Y-Achsenrichtung von der Position, wo die Breite des Gratteils 40a den lokalen maximalen Wert Wa aufweist, zu der Position in Nachbarschaft dazu auf der negativen Seite der Y-Achse innerhalb der Positionen, an denen die Breite des Gratteils 40a den lokalen minimalen Wert Wb aufweist, ist als Lb definiert. Die Seitenfläche 40b, die sich von der Position, wo die Breite des Gratteils 40a den lokalen maximalen Wert Wa aufweist, zu der Position, wo die Breite des Gratteils 40a den lokalen minimalen Wert Wb aufweist, erstreckt, weist in einer Draufsicht eine lineare Form auf. Der Winkel zwischen der Y-Achsenrichtung und der Seitenfläche 40b, die sich von der Position, an welcher die Breite des Gratteils 40a den lokalen maximalen Wert Wa aufweist, zu der positiven Seite der Y-Achse erstreckt, ist als θa definiert. Der Winkel zwischen der Y-Achsenrichtung und der Seitenfläche 40b, die sich von der Position, wo die Breite des Gratteils 40a den lokalen maximalen Wert Wa aufweist, zu der negativen Seite der Y-Achse erstreckt, ist als θb definiert.Here, the local maximum value of the width of the
Die Beziehung zwischen θa, θb, Wa, Wb, La und Lb wird durch die folgenden Formeln (1), (2) wiedergegeben.
In dieser Ausführungsform sind die Winkel θa, θb jeweils größer als ein Grenzwinkel θc gesetzt. Der Grenzwinkel θc ist der maximale Wert des Winkels, bei dem das Laserlicht vollständig an der Seitenfläche 40b des Gratteils 40a reflektiert wird. Das heißt, dass der Winkel θa, θb derart gesetzt ist, dass er die Formel (3) erfüllt.
Wenn der Winkel θa, θb größer gesetzt ist als der Grenzwinkel θc, kann Licht in der Mode der höheren Ordnung reduziert werden und kann der Anteil von Licht in der Grundmode erhöht werden, was weiter unten mit Bezug auf
Im Folgenden wird ein Setzbeispiel von Wa, Wb, La, Lb, θa und θb beschrieben.A setting example of Wa, Wb, La, Lb, θa and θb is described below.
Zum Beispiel ist die Breite des Gratteils 40a nicht kleiner als 1 µm und nicht größer als 100 µm. Um zu veranlassen. dass das Halbleiterlaserelement 1 mit einer hohen Lichtausgabe (z.B. Watt-Klasse) betrieben wird, darf der lokale maximale Wert Wa der Breite des Gratteils 40a nicht kleiner als 10 µm und nicht größer als 50 µm gesetzt werden. Je kleiner der lokale minimale Wert Wb der Breite des Gratteils 40a ist, desto stärker kann die Modenkomponente einer höheren Ordnung reduziert werden. Wenn jedoch der lokale minimale Wert Wb zu klein ist, wird auch die Grundmodenkomponente (transversale Grundmodenkomponente) reduziert. Wenn dagegen der lokale minimale Wert Wb der Breite des Gratteils 40a groß vorgesehen wird, wird der Reduktionseffekt für die Modenkomponente der höheren Ordnung reduziert. Um die Modenkomponente der höheren Ordnung effizient zu unterdrücken und gleichzeitig die Intensität gemäß der Grundmode aufrechtzuerhalten, kann der lokale minimale Wert Wb der Breite des Gratteils 40a auf nicht weniger als 1/4 und nicht größer als 3/4 des lokalen maximalen Werts Wa der Breite gesetzt werden.For example, the width of the
Wenn die Distanz La, Lb vermindert wird, wird der Winkel θa, θb vergrößert, sodass die Formel (3) einfach erfüllt wird. Wenn dagegen die Distanz La, Lb zu stark reduziert wird, wird die Anzahl der Teile, wo die Breite des Gratteils 40a klein ist, in dem Bereich der Länge in der Y-Achsenrichtung des Halbleiterlaserelements 1 reduziert. Dadurch wird der Unterdrückungseffekt für die Mode der höheren Ordnung reduziert. In dieser Ausführungsform werden Wa=16 µm, Wb=10 µm und La=Lb=30 µm gesetzt. Dabei wird θa=θb=5,7° realisiert.When the distance La, Lb is decreased, the angle θa, θb is increased, so that formula (3) is easily satisfied. On the other hand, if the distance La, Lb is reduced too much, the number of Parts where the width of the
Solange die Bedingungen der Formeln (1), (2) erfüllt werden, kann La≠Lb erlaubt werden. Im Fall von La≠Lb geht zwar Licht in der Y-Achsenrichtung in dem Resonator hin und her, wobei jedoch der Verlust an der Mode der höheren Ordnung zwischen dem Vorwärtspfad und dem Rückwärtspfad verschieden vorgesehen werden kann. Zum Beispiel kann im Fall von La>Lb der Verlust auf der Mode der höheren Ordnung reduziert werden, wenn Licht von der Endfläche 1b zu der Endfläche 1a fortschreitet.As long as the conditions of formulas (1), (2) are met, La≠Lb can be allowed. In the case of La≠Lb, although light passes back and forth in the Y-axis direction in the resonator, the higher-order mode loss can be provided differently between the forward path and the reverse path. For example, in the case of La>Lb, the loss on the higher order mode can be reduced when light propagates from the
Wie weiter oben beschrieben, ist der Nutteil 70 an der Außenseite der Seitenfläche 40b des Gratteils 40a angeordnet. Wenn dabei der Gratteil 40a und der Nutteil 70 voneinander durch eine bestimmte Distanz Dd in der Breitenrichtung (der X-Achsenrichtung) des Gratteils 40a getrennt sind, muss die Formel (4) erfüllt werden, damit der Nutteil 70 einen Effekt auf das Fortschreiten des Lichts an der Außenseite des Gratteils 40a hat.
Wenn dabei die Distanz Dd zu klein ist, erhöht sich der Anteil unter dem Einfluss des Nutteils 70 in der Grundmodenkomponente, wodurch der Verlust der Grundmode vergrößert wird. Deshalb muss die Distanz Dd eine gewisse Größe aufweisen. Aus durch die Erfinder durchgeführten Untersuchungen ging hervor, dass, wenn die Distanz Dd nicht kleiner als 1 µm ist, der Verlust in der Grundmodenkomponente unterdrückt werden kann. In der X-Achsenrichtung kann sich das Ende des Nutteils 70 auf der zu dem Gratteil 40a gegenüberliegenden Seite bei der gleichen Position wie die Seitenfläche 40b des Gratteils 40a, wo die Breite den lokalen maximalen Wert Wa aufweist, oder weiter außen befinden. In dieser Ausführungsform ist Dd=2 µm gesetzt, und in der X-Achsenrichtung befindet sich das Ende des Nutteils 70 auf der zu dem Gratteil 40a gegenüberliegenden Seite an der gleichen Position wie die Seitenfläche 40b des Gratteils 40a, wo die Breite den lokalen maximalen Wert Wa aufweist.At this time, if the distance Dd is too small, the proportion under the influence of the
Im Folgenden wird beschrieben, wie der Grenzwinkel θc erhalten wird.The following describes how the critical angle θc is obtained.
Es wird hier unter Verwendung einer äquivalenten Brechungsindexmethode ein dreidimensionaler Aufbau des Gratteils 40a durch einen Wellenleitungssaufbau mit einer zweidimensionalen Platte vorgesehen. An der Mittenposition in der X-Achsenrichtung des Gratteils 40a wird ein äquivalenter Brechungsindex ni an dieser Position unter Verwendung der Dicke und des Brechungsindex jeder Schicht berechnet. Entsprechend wird an der Mittenposition in der X-Achsenrichtung des Nutteils 70 ein äquivalenter Brechungsindex no an dieser Position unter Verwendung der Dicke und des Brechungsindex jeder Schicht berechnet. Der äquivalente Brechungsindex ni ist der effektive Brechungsindex auf der Innenseite des Gratteils 40a, und der äquivalente Brechungsindex no ist der effektive Brechungsindex auf der Außenseite des Gratteils 40a. In dieser Ausführungsform wird durch die Ausbildung des Gratteils 40a ni>no immer erfüllt.Here, using an equivalent refractive index method, a three-dimensional structure of the
Dann wird unter Verwendung des Schnelliusschen Gesetzes der maximale Wert des Winkels, wenn eine Gesamtreflexionsbedingung erfüllt wird, d.h. der Grenzwinkel θc, berechnet. Der Grenzwinkel θc wird durch die Formel (5) berechnet.
Wenn zum Beispiel ni=2,535 und no=2,527, wird θc=4,6° basierend auf der Formel (5) berechnet. Unter Verwendung des auf diese Weise berechneten θc werden Wa, Wb, La und Lb derart gesetzt, dass die Formeln (1) bis (3) erfüllt werden.For example, if ni=2.535 and no=2.527, θc=4.6° is calculated based on formula (5). Using the thus calculated θc, Wa, Wb, La and Lb are set so that the formulas (1) to (3) are satisfied.
Im Folgenden wird ein Beispiel für die Prozedur zum tatsächlichen Bestimmen jedes gesetzten Werts beschrieben.An example of the procedure for actually determining each set value is described below.
Wenn wie weiter oben beschrieben der äquivalente Brechungsindex ni, no unter Verwendung der Dicke und des Brechungsindex jeder Schicht berechnet wird, kann der Grenzwinkel θc basierend auf der Formel (5) oder dem Kurvendiagramm von
In einem Bereich unter jeder geraden Linie in
Auf diese Weise wird der Grenzwinkel θc basierend auf den äquivalenten Brechungsindizes ni und no auf der Innenseite und der Außenseite des Gratteils 40a berechnet und können der lokale maximale Wert Wa, der lokale minimale Wert Wb und die Distanz La, Lb basierend auf dem berechneten θc gesetzt werden. Dementsprechend wird die Formel (3) erfüllt, sodass also Licht in der Mode der höheren Ordnung reduziert werden kann.In this way, the critical angle θc is calculated based on the equivalent refractive indices ni and no on the inside and outside of the
Im Folgenden werden mit Bezug auf ein in
In dem Vergleichsbeispiel 1 ist im Vergleich zu der oben beschriebenen Ausführungsform kein Nutteil 70 vorgesehen. In dem Halbleiterlaserelement des Vergleichsbeispiels 1 schreitet während der Laseroszillation Licht in der Y-Achsenrichtung in dem Gratteil 40a fort. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gesamtreflexionsbedingung auf der Innenseite und der Außenseite des Gratteils 40a nicht erfüllt (weil die Formel (3) erfüllt wird, sodass das Licht allgemein in der Y-Achsenrichtung fortschreitet, auch wenn ein Teil, an dem die Breite des Gratteils 40a klein ist, vorhanden ist. In
Dabei umfasst das an dem Gratteil 40a fortschreitende Licht ein Licht in der Grundmode und ein Licht in der Mode der höheren Ordnung wie in den Kurvendiagrammen in dem unteren Teil von
Wie in
Jedoch wird, wie in
In dem Vergleichsbeispiel 2 ist im Vergleich zu der oben beschriebenen Ausführungsform kein Nutteil 70 vorgesehen und ist anstelle des Gratteils 40a ein Gratteil 200 in einem oberen Teil der zweiten Halbleiterschicht 40 ausgebildet. In dem Vergleichsbeispiel 2 wird die Gesamtreflexionsbedingung auf der Innenseite und der Außenseite des Gratteils 200 erfüllt. In dem Vergleichsbeispiel 2 werden statt der Formel (3) die Beziehungen θa<θc und θb<θc erfüllt.In Comparative Example 2, compared to the embodiment described above, there is no
Weil in dem Vergleichsbeispiel 2 die Formel (3) nicht erfüllt wird, kann Licht in der Mode der höheren Ordnung nicht in der Weise wie in dem Vergleichsbeispiel 1 reduziert werden. In dem Vergleichsbeispiel 2 kann jedoch eine Welligkeit in dem vertikalen Fernfeldmuster, die im Fall des Vergleichsbeispiels 1 verursacht wird, unterdrückt werden.In Comparative Example 2, because formula (3) is not satisfied, light in the higher order mode cannot be reduced in the manner as in Comparative Example 1. However, in Comparative Example 2, ripple in the vertical far-field pattern caused in the case of Comparative Example 1 can be suppressed.
In dem Halbleiterlaserelement des Vergleichsbeispiels 2 erfüllt die Brechungsindexdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des Gratteils 200 die Gesamtreflexionsbedingung. Wie durch die in Strichlinien gezeichneten Pfeile in
Mit Bezug auf
Wie in den Kurven auf der linken Seite der Strichlinie gezeigt, wird in dem Halbleiterlaserelement (Vergleichsbeispiel 1), das θa>θc und θb>θc erfüllt, eine Welligkeit (Störung) in dem vertikalen Fernfeldmuster verursacht. Dagegen wird, wie in den Kurven auf der rechten Seite der Strichlinie gezeigt, in dem Halbleiterlaserelement (Vergleichsbeispiel 2), das θa<θc und θb<θc erfüllt, keine Welligkeit in dem vertikalen Fernfeldmuster verursacht. Und je kleiner der lokale minimale Wert Wb der Breite ist, desto größer wird die Intensität der Welligkeit. Je kleiner nämlich der lokale minimale Wert Wb der Breite ist, desto größer ist der Anteil des durch die Außenseite des Gratteils hindurchgehenden Lichts. In den Kurven auf der linken Seite der Strichlinie wird die Welligkeit in einer Struktur, die näher an der die Beziehung θa<θc und θb<θc erfüllenden Struktur ist, kleiner. Der Grund hierfür ist, dass der Anteil des die Bedingung θa<θc und θb<θc erfüllenden Lichts, d.h. die Gesamtreflexionsbedingung, größer ist.As shown in the curves on the left side of the dashed line, in the semiconductor laser element (Comparative Example 1) satisfying θa>θc and θb>θc, a ripple (disturbance) is caused in the vertical far-field pattern. On the other hand, as shown in the curves on the right side of the dashed line, in the semiconductor laser element (Comparative Example 2) satisfying θa<θc and θb<θc, no ripple is caused in the vertical far field pattern. And the smaller the local minimum value Wb of the width, the greater the intensity of the ripple becomes. Namely, the smaller the local minimum value Wb of the width, the larger the proportion of light passing through the outside of the ridge part. In the curves on the left side of the dashed line, the waviness becomes smaller in a structure that is closer to the structure satisfying the relationship θa<θc and θb<θc. The reason for this is that the proportion of light satisfying the condition θa<θc and θb<θc, i.e. the overall reflection condition, is larger.
Wie weiter oben beschrieben, wird in dem Halbleiterlaserelement des Vergleichsbeispiels 1, das die Beziehung der Formel (3) erfüllt, eine Welligkeit in dem vertikalen Fernfeldmuster verursacht. Dagegen ist in dem Halbleiterlaserelement des Vergleichsbeispiels 2, das die Beziehung der Formel (3) nicht erfüllt, die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Welligkeit in dem vertikalen Fernfeldmuster verursacht wird, kleiner, wobei es jedoch schwierig ist, dass Licht in der Mode der höheren Ordnung wie mit Bezug auf
Mit Bezug auf
In der Ausführungsform schreitet Licht ähnlich wie in dem oben beschriebenen Vergleichsbeispiel 1 allgemein in der Y-Achsenrichtung wie durch die in Strichlinien gezeichneten Pfeile angegeben fort. Dabei enthält das an dem Gratteil 40a fortschreitende Licht ein Licht in der Grundmode und ein Licht in der Mode einer höheren Ordnung wie in den Kurvendiagrammen im unteren Teil von
Wie in
Wie in
Dabei ist der Nutteil 70 wie oben beschrieben mit Luft gefüllt und weist also einen Brechungsindex auf, der kleiner als derjenige der ersten Halbleiterschicht 20 ist. Wenn also der Nutteil 70 mit einem kleinen Brechungsindex unten (auf der Seite der ersten Halbleiterschicht 20 in Bezug auf die aktive Schicht 32) in einem Lichtdurchgangsbereich ausgebildet ist, wird eine nach unten gerichtete Bewegung des Lichts beschränkt. Es wird also eine nach unten gerichtete Bewegung des Lichts, das an der Außenseite des Gratteils 40a fortgeschritten ist und direkt über dem Nutteil 70 angekommen ist, unterdrückt. Deshalb befindet sich wie in
<Effekte der Ausführungsform><Effects of Embodiment>
Gemäß der Ausführungsform werden die folgenden Effekte erzielt.According to the embodiment, the following effects are achieved.
Weil der Winkel θa, θb zwischen der Seitenfläche 40b des Gratteils 40a und der Wellenleitungsrichtung (der Y-Achsenrichtung) größer gesetzt ist als der Grenzwinkel θc, wird das Laserlicht in der Mode der höheren Ordnung abgeschnitten und wird der Anteil des Laserlichts in der Grundmode erhöht. Der Nutteil 70 ist wenigstens an dem Substrat 10 und der ersten Halbleiterschicht 20 ausgebildet und ist auf der Außenseite der Seitenfläche 40b wenigstens dort, wo die Breite des Gratteils 40a klein ist, angeordnet. Dementsprechend ist wie mit Bezug auf
Der Nutteil 70 ist in dem Substrat 10 und in der ersten Halbleiterschicht 20 ausgebildet. Während also die Verteilungsposition des an dem Gratteil 40a (dem Wellenleiter WG) fortschreitenden Laserlichts an der Lichtemissionsschicht 30 gehalten wird, kann eine nach unten gerichtete Bewegung der Verteilungsposition des Laserlichts effektiv unterdrückt werden.The
In einer Draufsicht ist der Nutteil 70 entlang der Seitenfläche 40b auf der Außenseite der Seitenfläche 40b des Gratteils 40a angeordnet. Insbesondere ist der Nutteil 70 parallel angeordnet, sodass er durch mit einer Distanz Dd (siehe
Das Zusammensetzungsverhältnis (Ga/N) von Ga zu N an der Oberfläche des Nutteils 70 in der ersten Halbleiterschicht 20 ist höher als das Zusammensetzungsverhältnis (Ga/N) von Ga zu N im Inneren der ersten Halbleiterschicht 20. Wenn das Ga-Verhältnis des Nutteils 70 auf diese Weise vergrößert ist, ist der Lichtabsorptionseffekt vergrößert. Dementsprechend kann unnötiges Laserlicht in der Mode einer höheren Ordnung in der Nachbarschaft des Nutteils 70 absorbiert werden, wodurch die Modenkomponente einer höheren Ordnung reduziert werden kann.The composition ratio (Ga/N) of Ga to N on the surface of the
Weil wie in
Der Winkel θa, θb zwischen der Seitenfläche 40b des Gratteils 40a und der Wellenleitungsrichtung (der Y-Achsenrichtung) ist größer gesetzt als der Grenzwinkel θc. In diesem Fall ist der Grenzwinkel θc der maximale Wert des Winkels, bei dem das Laserlicht vollständig an der Seitenfläche 40b reflektiert wird. Dann kann mit der Seitenfläche 40b des Gratteils 40a die an dem Gratteil 40a fortschreitende Modenkomponente einer höheren Ordnung reduziert werden und kann der Anteil der Grundmode erhöht werden.The angle θa, θb between the
<Modifikationen><Modifications>
Vorstehend wurde eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, die zudem auf verschiedene Weise modifiziert werden kann.An embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the embodiment described herein, which can also be modified in various ways.
Zum Beispiel besteht in der oben beschriebenen Ausführungsform das Innere des Nutteils 70 aus Luft. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es kann als ein Kleiner-Brechungsindex-Teil mit einem Brechungsindex, der kleiner als derjenige der ersten Halbleiterschicht 20 ist, auch eine dielektrische Schicht, die durch einen Siliciumoxidfilm (SiO2) implementiert wird, in dem Nutteil 70 ausgebildet sein. Alternativ dazu kann ein Zwischenraum zwischen einer dielektrischen Schicht und der ersten Halbleiterschicht 20 vorgesehen sein. Zum Beispiel kann in dem Nutteil 70 ein Dielektrikum 71 wie in den folgenden Modifikationen 1 bis 3 gezeigt angeordnet sein.For example, in the embodiment described above, the interior of the
In der Modifikation 1 von
In den Modifikationen 1 und 2 ist ein Zwischenraum 72 zwischen der ersten Halbleiterschicht 20 und dem Dielektrikum 71 angeordnet, wobei sich die untere Fläche (die Fläche auf der negativen Seite der Z-Achse) des Dielektrikums 71 an einer oberen Position relativ zu der oberen Fläche des Substrats 10 befindet. In der Modifikation 1 ist der Zwischenraum 72 zwischen den linken und rechten Enden des Dielektrikums 71 und der Seitenfläche des Nutteils 70 angeordnet. In der Modifikation 2 bedeckt das Dielektrikum 71 den Boden 70a und ist der Zwischenraum 72 an der Grenze (Eckteil) zwischen dem Boden 70a und der Seitenfläche des Nutteils 70 angeordnet. In der Modifikation 3 ist die untere Fläche (die Fläche auf der negativen Seite der Z-Achse) des Dielektrikums 71 zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche des Substrats 10 angeordnet.In
Wenn das Dielektrikum 71 in dem Nutteil auszubilden ist, wird das Dielektrikum 71 auf der gesamten Fläche auf der negativen Seite der Z-Achse des Substrats 10 in dem in
Wenn das Dielektrikum 71 wie in den Modifikationen 1 bis 3 in dem Nutteil 70 angeordnet ist, ändert sich der Brechungsindex in der Nachbarschaft des Nutteils 70 sanft, sodass eine Streuung des Lichts in der Grundmode aufgrund einer deutlichen Änderung des Brechungsindex unterdrückt werden kann. Dementsprechend kann das Verhältnis der Grundmode relativ erhöht werden. Wenn der Zwischenraum 72 wie in den Modifikationen 1 und 2 angeordnet ist, kann eine durch eine Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der ersten Halbleiterschicht 20 und dem Dielektrikum 71 verursachte mechanische Spannung entspannt werden. Deshalb kann auch bei einer hohen Temperatur ein stabiler Laserbetrieb realisiert werden. In der Modifikation 2 kann das Eindringen von Fremdstoffen von außen in den Eckteil des Nutteils 70, der als ein Durchgang für das Laserlicht dient, verhindert werden, wodurch eine Variation in dem Halbleiterlaserelement 1 unterdrückt werden kann. Und weil in der Modifikation 3 das Dielektrikum 71 bis zu dem Substrat 10 eingebettet ist, kann die Festigkeit des Halbleiterlaserelements 1 erhöht werden. Dementsprechend kann ein Brechen des Halbleiterlaserelements 1 aufgrund einer Belastung zum Zeitpunkt der Montage unterdrückt werden. Dadurch kenn die Zuverlässigkeit des Halbleiterlaserelements 1 erhöht werden.When the dielectric 71 is disposed in the
In den Modifikationen 1 bis 3 wird das Dielektrikum 71 durch einen Siliciumoxidfilm (SiO2) implementiert, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist und auch ein anderes Material mit einem Brechungsindex, der kleiner als derjenige der ersten Halbleiterschicht 20 ist, verwendet werden kann. Auch in diesem Fall kann ähnlich wie in den Modifikationen 1 bis 3 durch das Dielektrikum 71 der Brechungsindex in der Nachbarschaft des Nutteils 70 stark geändert werden und kann durch den Nutteil 70 das Auftreten einer Welligkeit in dem vertikalen FPP unterdrückt werden. Beispiele für das Material des Dielektrikums 71 sind SiN (Brechungsindex: 2,07), Al2O3 (Brechungsindex: 1,79), AIN (Brechungsindex: 2,19) und ITO (Brechungsindex: 2,12). Wenn das Dielektrikum 71 aus ITO ausgebildet ist, kann ein Licht in der Mode einer höheren Ordnung stärker unterdrückt werden.In
Das Dielektrikum 71 kann aus einem Material (zum Beispiel Kohlenstoff oder amorphes Silicium) ausgebildet sein, das Licht von der Lichtemissionsschicht 30 absorbiert. Wenn das Dielektrikum 71 aus einem Material ausgebildet ist, das Licht von der Lichtemissionsschicht 30 absorbiert, wird das Laserlicht in der Mode einer höheren Ordnung abgeschnitten, wodurch der Anteil des Laserlichts in der Grundmode erhöht werden kann.The dielectric 71 may be formed of a material (for example, carbon or amorphous silicon) that absorbs light from the light-emitting
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist wie in
In der Modifikation 4 von
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist wie in
In der Modifikation 5 von
In der oben beschriebenen Ausführungsform weist die Seitenfläche 40b des Gratteils 40a eine lineare Form in einer Draufsicht auf. Solange jedoch die Bedingung der Formel (3) erfüllt wird, kann die Seitenfläche 40b eine gekrümmte Form in einer Draufsicht aufweisen.In the embodiment described above, the
In der oben beschriebenen Ausführungsform weist der Querschnitt des Nutteils 70 eine rechteckige Form auf, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist und der Querschnitt auch eine trapezförmige Form, eine dreieckige Form, eine elliptische Form usw. aufweisen kann.In the embodiment described above, the cross section of the
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Nutteil 70 in dem Substrat 10 und in der ersten Halbleiterschicht 20 ausgebildet, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist und sich der Nutteil 70 auch über die n-seitige Lichtleiterschicht 31, die erste Halbleiterschicht 20 und das Substrat 10 erstrecken kann. Der Nutteil 70 kann von der unteren Fläche des Substrats 10 zu der n-seitigen Lichtleiterschicht 31 ausgebildet sein und mit dem Substrat 10, der ersten Halbleiterschicht 20 und der n-seitigen Lichtleiterschicht 31 verbunden sein.In the embodiment described above, the
In der oben beschriebenen Ausführungsform müssen das Halbleiterlaserelement 1 und die Halbleiterlaservorrichtung 2 nicht notwendigerweise bei der Verarbeitung eines Produkts verwendet werden und können auch für einen anderen Zweck verwendet werden.In the embodiment described above, the
Außerdem können verschiedene weitere Modifikationen an der beschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden, ohne dass deshalb der durch die Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird.In addition, various further modifications may be made to the described embodiment without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
LISTE DER BEZUGSZEICHENLIST OF REFERENCE SYMBOLS
- 11
- Halbleiterlaserelementsemiconductor laser element
- 1010
- SubstratSubstrate
- 2020
- erste Halbleiterschichtfirst semiconductor layer
- 3030
- Lichtemissionsschichtlight emission layer
- 3232
- aktive Schichtactive layer
- 4040
- zweite Halbleiterschichtsecond semiconductor layer
- 40a40a
- Gratteilburr part
- 40b40b
- Seitenflächeside surface
- 7070
- Nutteilgroove part
- 7171
- Dielektrikumdielectric
- 7272
- Zwischenraumspace
Claims (8)
Applications Claiming Priority (3)
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